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这种“穿墙术”,成为各国争相追捧的“王炸级”技术

本文来自微信公众号:,演讲:梁洪灿,中国电子科技集团公司第五十一研究所高级工程师,文字:黄一成,视频:Don,头图来自:视频截图

太赫兹,是电磁波家族中最神秘的成员,直到19世纪末才被命名,是人类迄今为止了解较少、开发较少的一个电磁波段。这么晚才被命名和开发,不是因为太赫兹不优秀不配拥有姓名,而是因为它太特别了——夹在微波和红外线两大电磁波之间,既不完全适合用微波理论来处理,也不完全适合用红外理论来研究。 

随着人类科学技术的进步,尤其是微加工、纳米技术的发展,近20年来,制约太赫兹技术发展的瓶颈相继被突破。于是,太赫兹技术得以横空出世。

科幻电影中的“穿墙制敌术”能够实现吗?

太赫兹对于大众安全有何帮助?

国际太赫兹研究进展如何?

今年因为新型冠状病毒的影响,大家进出小区、去公共场所都需要测量体温,现在大多数的体温测量都采用接触式技术,而采用非接触方式来测温的技术,就和我今天讲的主题相关。

电磁波家族的神秘成员:太赫兹

太赫兹,电磁波家族的神秘成员,我们虽然感受不到,但是电磁波在日常生活中无处不在,手机、通信卫星、导航、遥控定位、微波炉、电磁炉、工业医疗器械等都有电磁波的存在。

太赫兹大家很少听说过,但事实上,在国土安全、反恐、缉毒等方面,太赫兹的应用必不可少

太赫兹在电磁波中所处的位置

电磁波按波长由大到小可分为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线,而太赫兹在无线电波和光波之间,再具体点就处在毫米波和红外线之间

为什么说太赫兹神秘?因为电磁波谱中存在太赫兹空白,太赫兹频段两侧的红外和微波技术已经非常成熟,但是太赫兹技术既不能完全用红外理论来处理,更不能完全用微波技术来研究。

太赫兹是属于极为重要的交叉前沿领域,在很多方面都有非常有利的用途。太赫兹技术是新一代IT产业通信技术的基础,并且在国家安全和反恐战争中至关重要。

太赫兹与普通人有什么关系?

那么太赫兹与我们普通人又有什么关系?最重要的一点就是安全。我们知道毒品的危害很大,对一个家庭来说,一人吸毒,全家遭殃。吸毒者在自我毁灭的同时也严重伤害了自己的家庭,也给社会带来了不安定因素。

研究发现,毒品里的海洛因、摇头丸在太赫兹频段内有特定的吸收光谱曲线,这样的话,太赫兹辐射有可能成为一种新的公共安全监控技术,可以对一些要害场所进行安全监控,帮助公安把贩毒分子绳之以法。

机场安检可以通过太赫兹安检仪对人体清晰成像,包括携带的物品,比如枪等危险品。

包裹检测中显现的非金属刀具

除了金属物品,在塑料凶器、陶瓷手枪、塑胶炸弹、流体炸弹和人体炸弹的检测和识别上,太赫兹都有独特优势。例如大家看到的图片中的包裹检测,通过太赫兹成像,可以清晰地看到包裹内的非金属刀具。

电影中经常可以看到主角隔着墙或者门解决掉里面的敌人,在现实生活中有可能实现吗?事实上,我们利用太赫兹是可以做到的。恐怖分子挟制人质,我们可以用太赫兹收发器将人质、恐怖分子和他的武器成像,来确定他们的位置,为警察营救提供强有力的技术支撑。

太赫兹具有近距离的穿墙特性

太赫兹具有近距离的穿墙特性,铸就反恐作战新利器。似乎在传统威胁面前,高新技术也无能为力。事实真是如此吗?太赫兹的穿墙透视能力或许能够扭转这种被动局面。太赫兹的频率很高、波长很短,且在浓烟、沙尘环境中传输损耗很小,可以穿透墙体对房屋内部进行扫描,是复杂环境中成像的理想技术。

未来城市及反恐作战中,借助太赫兹特有的“穿墙术”,可以对墙后物体进行三维立体成像,探测隐蔽的武器伪装、埋伏的武装人员、显示沙尘和烟雾中的坦克、火炮等装备,进而拨开战场的迷雾。

除此之外,太赫兹的技术可以用来研究宇宙的起源和演化、航天器材的无损检测、地球环境监测,根据大气太赫兹微量分子的变化,观测全球气候变暖等一系列研究和应用。

除了安全和科学研究,太赫兹在生物医药、生物医学成像方面也有广泛的用途。太赫兹技术可应用于医药生产的监控以及蛋白质等生物大分子的无标识识别,通过太赫兹医学成像,能够对病变细胞进行识别及早期诊断,同时可以预防和诊断皮肤癌、乳腺癌等。

含瘤肝样品的光学图像与太赫兹成像

同时,这是一种非常安全的医学成像,因为太赫兹光子能量小,不会引起生物组织的光离化。从含瘤肝样品的光学图像与太赫兹成像图片对比,可以看出,太赫兹成像可以更清晰地看到健康组织、转移瘤等。

在通信领域,太赫兹可以应用在卫星间星际通信、同温层内空对空通信、远程地面无线局域网和远程安全大气通信。

太赫兹通信具有带宽宽、天线小、定向性好、安全性高、散射小的特点,它的频段比现有的微波通信要高出一到四个数量级,这就意味着它可以承载更大的信息量,轻松解决目前信息传输受制于带宽的问题,满足大数据传输速率的通信要求。

太赫兹波束更窄,具有极高的方向性、更好的保密性、较强抗干扰和云雾及伪装物穿透能力,可以在大风、沙尘以及浓烟等恶劣的战场环境下,以极高的带宽进行定向、高保密的军事通信。

改变未来世界的十大技术之一

那么目前太赫兹的相关研究进展又如何?在国际上已有100多个研究组从事有关太赫兹相关领域的研究,包括美国国家基金会、美国国家航天局、美国国防部和美国国家卫生协会,也包含日本、澳大利亚等国家。太赫兹技术被美国评为“改变未来世界的十大技术之一”。美国的政府机构、国家实验室和相关企业都把太赫兹技术列为国防重点科学,标志性成果是机载雷达。欧洲各大公司及国家机构也开展了太赫兹技术的相关研究,标志性的成果是太赫兹远距离检测系统。

国内太赫兹研究主要分三部分,太赫兹产生源、太赫兹探测和太赫兹应用。2014年5月, 中国成功将被动太赫兹成像技术运用于人体安检领域,一举突破欧美先进国家的技术制约,研制并发布了国内第一台太赫兹人体安检仪。

2018年11月, 首届中国国际进口博览会多个入口处部署了具有国际领先水平的太赫兹人体安检仪,实现了无辐射、非接触、不停留的新型安检模式。2018年8月,天津大学太赫兹研究中心在“基于超表面的全息成像技术”上取得突破,实现反射式手性全息成像,该技术达到世界领先水平。

随着太赫兹技术的发展,它在雷达遥感、国土安全与反恐、大气与环境监测、生命科学、材料科学、天文学、生物信息提取及医学诊断等多个重要领域具有独特的优势和巨大的应用前景。

让我们期待太赫兹技术神秘的面纱被慢慢揭开。

本文来自微信公众号:,演讲:梁洪灿(中国电子科技集团公司第五十一研究所高级工程师),智力支持:共青团上海科学技术工作委员会

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